城市扩张对洪涝灾害风险的胁迫效应及情景模拟

吴明宇，王 忠，张云慧

（中国地质大学（武汉）公共管理学院/自然资源部法治研究重点实验室，武汉 430073）

洪涝灾害已成为威胁中国城市公共安全的突出问题，也是制约中国城市可持续发展的重要因素［1］。据《中国水旱灾害公报》统计，2000—2018年中国城市因洪涝灾害死亡21 720人，直接经济损失达31 639.52亿元［2］。2020年入汛以来，中国南方地区发生持续强降水造成严重的洪涝灾害，造成27省（区、市）3 385万人受灾，直接经济损失695.9亿元。基于此，党中央、国务院定于2020—2022年开展包括洪涝灾害在内的全国自然灾害风险普查，旨在全面掌握中国灾害风险隐患情况，提升全社会防灾减灾能力［3］。

中国的城镇化具有大规模、高速度特征。自改革开放以来，中国城镇化率从17.92%提高到了60.60%，同时在沿海及内陆地区均形成了大规模城市群［4］。在城市发展的过程中，洪涝灾害的孕灾环境与成灾机理均产生了显著变化，使得城市暴雨洪涝的风险产生新的不确定性。此外，经济与人口激增、不合理的城市土地利用与空间规划直接导致了城市防灾减灾难度加大。在此背景下城市扩张与洪涝灾害风险的关系成为了研究热点与难点［5］。

1 文献综述

合理评价洪涝灾害风险是研究城市扩张对其胁迫效应的基础。已有关于洪涝灾害风险评估的研究大致可以分为4类，①通过对历史洪灾的频率分析来确定当下灾害发生的概率［6］；②建立涉及自然环境与经济社会的综合指标体系进行线性加权计算出风险评价值［7］；③基于水文动力学和情景分析方法对洪涝灾害风险进行预警［8］；④通过机器学习分类算法对洪涝风险进行预测［9］。其共同点在于研究往往从地理学、地质学、环境科学的角度入手，将GIS与社会、卫生和基础设施等数据结合起来进行高度量化的评价。

在城市扩张对洪涝灾害风险的影响机理方面，已有研究主要有3种观点，①城市盲目扩张导致不合理的空间规划与土地开发，致使城市热岛效应加剧。城市地表温度升高来源于人类大规模的开发与建设，大量上升气流与空气中的暖湿气流碰撞，致使城市上空形成特大暴雨，从而提高了洪涝灾害风险［10］；②城市扩张导致土地利用、人类活动向外围蔓延，地形和土壤覆盖发生改变。将天然表面转化为人工表面，由于渗透率差，导致城市土地水源涵养功能下降，洪水频率增加［11，12］。陈昆仑等［13］研究发现城市新开发区和在建施工区渍水显著，而围湖造地区域与重灾区基本重合；③对城市扩张负面效应不突出的大部分国家和地区而言，经济发展必然导致城市用地扩张，这也直接导致暴露于洪涝灾害的人数和资产增多［14，15］。Huong等［12］提出城市化增加了易受洪水影响地区的人口与基础设施，城市所遭受的损失愈发严重。此外，人口的激增也导致基础设施负荷增加，新的建设用地亦面临排水设施与计划上的欠缺［16］。可见，从理论上讲，城市扩张对洪涝灾害的风险治理产生了一系列的压力和影响，构成了一种“胁迫效应”。

在实证研究方面，Zhang等［17］通过量化城市化对降雨和洪水的贡献，发现由于城市扩张，整个研究流域发生极端洪水事件的可能性平均增加了21倍；Prosdocimi等［18］研究得出城市化水平显著影响着洪水频率，洪峰流量的变化可以归因于土地利用变化（乡村变为城市）。Mustafa等［19］通过情景分析发现，严格控制城市空间规划能够减轻日益严重的洪水破坏，相比之下，仅以填充式发展为导向，没有开发限制的空间规划使洪灾风险大大提高。Lin等［20］则认为人口增长及城市发展对沿海超大城市的洪涝风险影响甚微，而风暴潮等自然因素才是风险提高的主要原因。

国内外已有研究存在一定局限性，①研究主要考虑气候变化、海平面上升等自然因素对城市洪涝灾害的影响，缺乏对经济社会因素的考量；②部分研究讨论了城市扩张对洪涝灾害的影响机制，但实证的检验相对较少；③研究大多将沿海城市作为样本，对不同类型城市洪涝灾害风险的研究不足。基于此，本研究选取了沿江城市、山地城市重庆市为研究对象；在方法上也有所革新，运用系统动力学模型梳理洪涝风险的各种来源以及它们间的相互关系，实现对风险的评价和预测并识别城市扩张对洪涝灾害风险的影响。可能的边际贡献在于：①建立了系统动力学模型，以模拟城市扩张对区域洪涝灾害的胁迫效应，拓展了城市可持续发展研究的深度和广度；②选择有典型代表意义的城市进行了实证研究，以检验系统动力模型的稳定性和适用性。

2 研究设计

2.1 研究区概况

重庆市是中华人民共和国直辖市、国家中心城市、超大城市，常住人口3 124万人，GDP达23 605.8亿元。之所以选择该城市为研究区，主要原因在于：其一，重庆作为山地城市、沿江城市，更易受到洪涝灾害风险胁迫因素的影响。不仅往年洪涝灾害频发，在2020年夏季南方洪涝灾害中，重庆市更是出现了历史上罕见的特大洪水，以致当地26.32万人受灾，直接经济损失24.5亿元；其二，重庆是快速扩张中的城市。在过去的10年中，重庆市以大规模撤县设区的形式成为了中国建成区面积扩张速度最快的城市，扩张强度达74%。到2018年更是以1 496 km2的建成区面积跃升至全国首位。重庆市兼具洪涝灾害频发与城市快速扩张的问题，将其作为研究个案具有鲜明代表性。

2.2 指标体系

联合国提出的灾害风险表达式为风险度=危险度×易损度，这是灾害风险研究中最为重要的公式。城市灾害的易损性亦可分解为人口易损性、社会经济易损性和生态易损性等因素［21］，本研究分别以城市人口压力、经济暴露性与涵水功能的变化来衡量。而后第5次IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会）报告认为脆弱性、危险性与暴露性是灾害风险评估的三大核心内容，并将脆弱性定义为对洪涝防治不利影响的倾向性，包括易损性与应对或者恢复能力［22］。本研究借鉴胡俊锋等［23］的做法，将适应性与恢复力归纳为防灾减灾能力并单独作为一个子系统，其内容与灾害脆弱性的性质相反，代表着对洪涝灾害防治有利的影响因素。而承灾体的脆弱性则与暴露性合二为一。具体的评价指标均借鉴已有研究［1，7，8，23］，如表1所示。

表1 洪涝灾害风险评价的指标体系

2.3 系统动力学模型

基于上述洪涝灾害风险评价的指标体系，构建以致灾因子的危险性、承载体的脆弱性、防灾减灾能力为系统边界的系统动力学模型，系统流程如图1所示。数据主要来源于2008—2018年《重庆统计年鉴》和《水旱灾害公报》。模型以2008年为基准年，以1年为步长，模拟2008—2025年主要变量。

图1 洪涝灾害风险的系统动力学模型

该系统动力学模型由3个水平变量、3个流率变量、34个辅助变量与1个常量组成。对于水平变量初始值的设定均采用重庆市2008年的统计数值；3个子系统下的部分评价值通过其构成指标的标准化数据线性加权得出，数值大小介于0到1之间，权重的确定采用熵权法。其他方程通过多元线性回归方法、变量间逻辑关系或Vensim软件中的表函数功能获得。

模型主要方程式如下：

洪涝灾害风险=致灾因子的危险性×承灾体的脆弱性/防灾减灾能力

①致灾因子的危险性=0.0 009×年降水深度+1.1×人口受灾率+37.47×灾害损失率-0.97

人口受灾率=受灾人口/人口总量

灾害损失率=直接经济损失/经济总量

②承灾体的脆弱性=（人口脆弱性+土地脆弱性+经济脆弱性）/3

经济暴露=0.002 24×经济总量+0.064×经济密度+6.28×（农林牧渔产值/经济总量）-1.24

人口压力=10.36×人口密度+5.88×人口城镇化率-3.9

涵水功能=0.000 38×耕地面积+0.004 5×道路面积-0.396×绿化覆盖率+0.282×森林覆盖率-1.03

建设用地面积=INTEG（新增建设用地面积，708）

耕地面积=IF THEN ELSE（建设用地面积＜1 200，0.049×建设用地面积+2 400，-0.495×建设用地面积+3 069）

道路面积=0.154×建设用地面积-36.58

经济总量=INTEG（年经济增长，5 793）

经济密度=经济总量/建设用地面积

农林牧渔产值=1.81×（经济总量^0.71）

人口总量=INTEG（年人口增长，2 839）

人口密度=人口总量/土地总面积

人口城镇化率=非农业人口数/人口总量

③防灾减灾能力=（堤防能力+应急能力+排水能力）/3

水利、环境与公共设施投资=0.000 4×经济总量^1.61+30

应急能力=0.000 11×救灾物资储备+0.003 46×居民储蓄-0.174

堤防能力=2.48×（堤防保护人口/人口总量）+8.56×（堤防保护耕地/耕地面积）+0.54×堤防达标率-0.88

堤防保护人口=0.235×堤防总长度+285.9

堤防保护耕地=0.061 3×堤防总长度+28.4

排水能力=6.73×（除涝面积/耕地面积）+0.128×（排水管道长度/建设用地面积）-2.44

排水管道长度=3.84×水利、环境与公共设施投资+4 951.6

除涝面积=0.001 6×（农林水支出^2）-0.243×农林水支出+552

2.3 一致性检验

为检验上述系统动力模型的模拟结果与实际数据的误差，本研究使用重庆市2008—2017年的历史数据，通过Vensim软件对模型进行了一致性检验。检验仍以2008年为基准年，以1年为步长，以2008—2013年的数据作为模型训练数据，根据训练结果得出2014—2017年主要指标的模拟数值，将模拟数值与实际数值进行对比并计算误差率。若平均误差率小于10%，则认为该模型的精度较高，可用于预测未来重庆市洪涝灾害风险情况。

承载体脆弱性子系统下的主要变量见表2。由表2可以看出，主要数据的仿真值与真实值之间的误差基本都小于10%，平均误差率为2.94%，说明模型的一致性程度较高，与实际情况非常接近。以上的检验说明本研究的系统动力模型适用性和稳定性比较高，能够用于预测重庆市未来几年的洪涝灾害风险。

表2 主要仿真数据检验结果

3 研究结果

基于上述系统动力模型来进行重庆市洪涝灾害风险的模拟预测。为识别城市扩张对洪涝风险的胁迫作用，本研究设定了3种情景，①快速扩张型（重庆市持续以土地扩张的形式发展，到2025年，年新增建设用地面积达300 km2）；②慢速扩张型（重庆市不再以扩张新用地为发展模式，到2025年，年新增建设用地面积逐渐降为0）；③稳步扩张型（重庆市土地扩张速度无明显变化，到2025年，年新增建设用地面积为2008—2018年的均值）。

由图2可以看出，重庆市洪涝灾害风险的模拟结果呈现出非线性的特征，整体上表现为以5年为一周期的不稳定波动。2008—2013年为1个周期，在该周期内重庆市洪涝灾害风险先快速升高，于2009年达到峰值，而后逐年降低。2014—2018年为1个周期，该周期内的变化趋势虽与之前趋同，但不同点在于不论是峰值还是谷值都较之前有所降低。这种周期性与气候变化紧密相关，亦代表着重庆市特大洪水的重现期。在图2中3种城市扩张情景所代表的曲线近乎重合，说明在该系统动力模型下，城市扩张对洪涝灾害风险不存在明显影响，即从整体风险来看，城市扩张并未出现理论研究中的胁迫效应。究其原因，不论是洪涝灾害风险存在非线性的特征，还是城市扩张胁迫效应的缺失，都可归结于致灾因子的危险性这一子系统的不稳定性，该指标更多依赖于自然环境状况，不同年份的降水量决定了危险性的高低。因此，应进一步考察3个子系统各自的变化情况。

图2 洪涝灾害风险性仿真结果

3种城市扩张情景下各子系统的变化情况见图3、图4、图5。首先，致灾因子危险性的变化趋势与洪涝灾害风险的变化趋势非常相近。在该系统的建模过程中，由于各变量存在非线性关系，因此采用了Vensim软件特有的表函数来描绘，并假定到2025年该系统内各项指标为2008—2018年的均值。由此得出致灾因子的危险性在未来仍然是先增后降的趋势，且3种情景下曲线无明显差别，说明城市扩张几乎不对该系统构成影响；其次，不论城市扩张速度如何，承灾体的脆弱性和防灾减灾能力都逐年增长。这说明快速扩张中的城市往往具有更高的洪涝灾害脆弱性，但其防灾减灾能力也更高，反之则较低；再次，虽然重庆市灾害脆弱性与防灾减灾能力都逐年提高，但后者的增速明显更快，这意味着在不考虑自然环境因素（致灾因子的危险性）的前提下，可以认为洪涝灾害风险在逐年降低。此外，从两个子系统在面临3种情景时的变化差异来看，防灾减灾能力对城市扩张的响应程度比承载体的脆弱性更加明显，体现为3条曲线的间距更大，可以认为防灾减灾能力对城市扩张的响应更为敏感。

图3 致灾因子危险性仿真结果

图4 防灾减灾能力仿真结果

图5 承灾体脆弱性仿真结果

不少研究认为城市扩张或者高速城市化大大增加了洪涝灾害风险，或许是由于并未着重考虑扩张因素对防灾减灾能力的影响。一方面，城市空间上的扩张必然来源于城市个体人口经济等规模的增长［24］，但这仅仅代表暴露于洪涝灾害的人口与财产随之增多，城市的水源涵养功能有所下降。然而，在城市扩张的过程中，人口经济等规模的增长同样会带来更快的城市建设，更加完善的防洪、排水设施，更充足的防灾、救灾资金投入，最终使得城市拥有了更强的“灾害韧性”。至少对于重庆市而言，其防灾减灾基础设施建设在城市扩张中持续进步。因此，城市扩张对洪涝灾害风险的胁迫作用仅体现在城市脆弱性方面，而其对防灾减灾能力的促进作用亦可中和脆弱性所带来的风险。

4 小结与讨论

本研究参考已有研究成果建立了包括洪涝灾害致灾因子的危险性、承灾体的脆弱性以及防灾减灾能力3个系统在内的综合评价指标体系，基于重庆市2008—2018年的相关统计数据，运用系统动力学模型模拟了该时期重庆市洪涝灾害风险，并预测至2025年，设定3种城市扩张情景识别其对洪涝灾害风险的影响作用。主要研究结论如下。

第一，重庆市洪涝灾害风险在2008—2018年表现出5年1周期的非线性波动趋势，在周期内风险先快速升至峰值，而后逐年降低。

第二，城市扩张对重庆市洪涝灾害风险不存在显著影响，但对承灾体的脆弱性和防灾减灾能力均有正向作用。即对城市的灾害脆弱性存在胁迫效应，但同时又能够促进防灾减灾能力的提升。

第三，洪涝灾害风险的非线性波动来源于降水因素的不确定性。若不考虑致灾因子自身的变化，洪涝灾害风险则呈降低趋势。即防灾减灾能力的提高能够中和城市扩张对洪涝灾害风险的胁迫效应。

由于城市扩张是未来灾害脆弱性的主要驱动力，尽管气候预测存在广泛的不确定性，但城市实施适应性措施的形势依然十分紧迫［25］。步入21世纪以来，中国大中城市快速发展，空间上的扩展成为了必不可少的手段。虽然不少国外学者提出城市扩张大大增加了洪涝灾害风险［17-19，25］，但本研究却发现重庆市洪涝灾害风险受城市扩张影响甚微。在扩张的进程中，城市防灾减灾能力的提升反而更为明显，因此建议，一方面，不应以洪涝灾害风险为由遏制城市的空间扩张，但城市应找到扩大规模与确保安全的平衡点，实现基于空间管制的精明扩张。注重提高城市防灾减灾能力来中和灾害脆弱性带来的风险，从而助推城市形成更强的灾害韧性。另一方面，应加强城市外围基础设施以提高防灾减灾能力。重庆市的扩张并非一味的填充与蔓延，而是具有明显的“飞地”特征和城乡融合发展态势。因此，诸如加强新增用地的堤防、管网、绿地等基础设施建设，完善城市外围区域的排水计划与应急管理规划等均是弱化胁迫效应、降低洪涝风险的可行之策。